[发明专利]一种高磁致冷能力钆基大块非晶材料

说明书

技术领域

本发明属于功能材料中的磁性致冷合金领域，涉及一种中温范围内具有大的磁致冷能力的钆(Gd)基大块非晶态合金材料。

背景技术

磁致冷是指以磁性材料为工质的一种全新的致冷技术，其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应(Magnetocaloric effect，MCE)，即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸收热量，达到致冷的目的。磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。其致冷方式是利用材料自旋系统磁熵变的致冷，磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得混乱，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，即一般所称的致冷剂或致冷工质。与传统致冷相比，磁致冷单位致冷效率高、能耗小、运动部件少、噪声小、体积小、工作频率低、可靠性高以及无环境污染，因而被誉为绿色致冷技术。

磁致冷材料的性能主要取决于以下几个参量：磁有序化温度(即磁相变点，如居里点T_C、奈尔点T_N等)、一定外加磁场变化下磁有序化温度附近的磁热效应等。磁有序化温度是指从高温冷却时，发生诸如顺磁-铁磁、顺磁-亚铁磁等类型的磁有序化(相变)的转变温度；磁热效应一般用一定外加磁场变化下的磁有序化温度点或它附近的最大磁熵变-ΔS_M或在该温度下绝热磁化时材料自身的温度变化(绝热温变)ΔT_ad来表征。磁致冷的材料核心问题就是要制备出具有合适的磁有序化温度和最大磁熵变-ΔS_M尽可能大的磁致冷材料。评价磁性材料致冷优越性的综合参数是磁致冷能力(RC)，即最大磁熵变一半值所对应的温度差值与最大磁熵变值的乘积。

在高温区，由于气体致冷工质使用的氟利昂气体对大气中臭氧层有破坏作用而被国际上禁用，要求发展新型无环境污染的致冷技术。而磁致冷在这方面的优势促使其成为引人瞩目的国际前沿研究课题，但是目前主要的材料研究仍集中在晶态材料和纳米晶材料，对于非晶态材料的磁热效应研究相对比较少。据研究，在200K以上，非晶合金的性能比不上晶态材料，但是在200K以下，随着温度的下降，晶态材料的磁熵变变小，并且有可能出现负磁热效应，而非晶态合金在此温度范围内却具有大的磁熵变、宽的磁致冷温度范围和大的磁致冷能力。因此，相比晶态材料，在200K以下，非晶合金是比较理想的磁致冷工质。

发明内容

本发明的目的是提供一种易于形成大块非晶的中温范围内具有大的磁熵变和致冷能力的钆基合金。

一种高磁致冷能力钆基大块非晶材料，化学成分为(原子百分比)：Gd：39～56％；Dy：0～17％；Al：15～30％；Co：15～25％。

本发明所用的技术手段是采用高真空电弧炉在气氛保护下进行合金熔炼，然后将合金在同样进行气氛保护的电弧炉中吸铸成一定直径的圆棒材。

Gd基大块非晶磁致冷合金在5T的外加磁场下至少具有相当于纯金属Gd的磁熵变(纯金属Gd在5T的外加磁场下的磁熵变为9.8J kg^-1K^-1)，并且该系列合金的致冷能力远大于巨磁热效应材料Gd₅Si₂Ge₂(306J kg^-1)和Gd₅Si₂Ge_1.9Fe_0.1(360J kg^-1)。

本发明的优点是：

1、所得非晶成分不仅具有较大的磁熵变值，而且最大磁熵变一半所对应的温度范围也非常宽，使得材料能够在很宽的温度范围内适用，这也导致了该大块非晶合金具有超高的致冷能力。

2、材料制备过程简单，易于在其过冷液相区进行成型加工。

3、材料热滞小，易于实现热的传导。

4、由于非晶态材料具有高的电阻系数，因此该系列非晶合金可以避免产生涡流及相应的热量，更有利于能量的利用。

5、在相同磁熵变和致冷能力水平下，该合金成本价格较Gd基晶态和巨磁材料Gd₅Si₂Ge₂等磁致冷材料价格便宜。

附图说明

图1是铜模吸铸制备的三种实施例合金的X-射线衍射谱和一种合金的连续加热DSC晶化曲线。横坐标为2θ角度；纵坐标为衍射强度(任意单位)。内插图横坐标为温度(开尔文)；纵坐标为热流，向上方向为放热。